MATLAB与Origin在化学化工中的应用Ch1绪论.

化工应用数学AppliedMathematicsforChemicalEngineeringMATLAB与Origin在化学化工中的应用南京工业大学化学化工学院汤吉海2第1章绪论数学在化工中的重要作用求解数学模型的计算机工具本课程的教学方式为什么学？怎么学？31数学在化工中的重要作用化工应用数学——一个含糊的概念解决化学工程问题的数学，体现方法论的数学；也可以理解为“数学工程”。电机工程不是物理学，它的目的是将抽象的电磁学理论变成让百姓能用的产品；化学工程不是化学，它的目的是把抽象的化学原理变成日常能用的化学产品；数学工程不是数学，它的目的是把抽象的数学原理变成解决实际问题的工具。4模型的意义与作用化学工程——研究工业规模的物质转化规律及技术手段研究对象质量传递；动量传递；能量传递化学反应过程解决的问题装置放大；流程设计化学工程的方法论——解耦热模研究：考察化学反应规律冷模研究：考察流动与传递规律数学模型：单元操作及化工流程行为模拟中间实验：三种模型的结合工业设计5化工数学数学模型的作用正问题：模拟、优化、控制反问题：机理辨识、参数求取化工数学的分类1、化工实验数学数据处理与误差分析；实验设计2、化工建模与数学分析化工问题建模；模型求解与分析；3、化工过程模拟与优化流程模拟方法；过程的综合；最优化方法6化工数学化学工程发展史上的几个重要阶段1901～1920’s：工业化学→化学工程1923～1930’s：单元操作，化工数学1940～1950’s：传递现象，数学模拟1957～1960’s：化学反应工程1970’s～：过程系统工程趋势——模型化，数学化数学与化工的联系千丝万缕DoraiswamiRamkrishna(PurdueUniversity),NealR.Amundson(UniversityofHouston).MathematicsinChemicalEngineering:A50YearIntrospection.AIChEJournal,January2004,50(1):7-23.7MathematicsinChemicalEngineering8未来化工中的计算技术9多尺度控制是化学及过程工程今后的发展方向，是化学工程学家必须关注的重要问题。－欧洲化学工程联合会主席J.-C.Charpentier教授（Chem.Eng.Sci.,2002,57:4667-4690）10NewBioprocessesCatalystDesignImprovedReactionMechanismsProductDevelopment(polymers,pharmaceuticals)EfficientProcessDesignMaterialsandPolymerDesignPolymerProcessingEnvironmentalmodelingandremediation计算分子科学的应用11计算流体动力学的应用MixersChemicalReactorsPackedBedsCrystallizing/DissolvingEquipmentPneumaticConveyors&ClassifiersFlowsinPipesSpraysBiologicalSystems12模拟-实验-理论的关系由模拟所得到的结果，再经科学实验得到的实验结果相互比较，最后经过理论的验证，便可以得到一个真正完美的结论。在近代科学研究中，必须以实验验证理论，以模拟辅助实验，三者并行，如此便能达到相辅相成的效果。1321世纪的过程工程开发与设计模式UniversityofTexas的T.F.Edgar教授等在“Vision2020:ComputationalNeedsoftheChemicalIndustry”中给出了21世纪的过程工程开发与设计模式14计算化学工程的三个要素描述真是体系的可靠的数学模型（核心）过程模拟：反应机理、分离技术分子模拟：量子力学、分子力学、统计力学和流体力学计算流体力学：流体力学高效率的计算方法能够处理非常大的模型的非线性算法强大的计算机硬件结构能够适应不同时间尺度和空间尺度的大规模计算的超级并行计算机15数学模型数学模型是系统的某种特征的本质的数学表达式，即用数学式子（如函数式、代数方程、微分方程、微积分方程、差分方程等）来描述（表达、模拟）所研究的客观对象或系统在某一方面的存在规律。一切客观存在的事物及其运动状态统称为实体或对象、对实体特征及变化规律的近似描述或抽象就是模型用模型描述实体的过程称为建模或模型化。理想的数学模型必须满足以下两点。可靠性：在允许的误差值围内，它能反映出该系统的有关特性的内在联系。适用性：它须易于数学处理和计算.16建立数学模型的一般方法建立模型的方法大致有两种：实验归纳法理论分析法。建立模型的一般步骤：通过对系统的仔细观察分析，根据问题的性质和精度的要求，作出合理性假设、简化。抽象出系统的物理模型。在此基础上确定输入、输出变量和模型参数，建立数学模型。一般来说，在不降低精度的条件下,模型变量的数目越少越好。检验和修正所得模型。手段是将模型计算结果与实验结果做对比.模型含有无关或关系不大的变量；模型遗漏了重要的有关变量；模型参数不准确；数学模型的结构形式有错；模型反映系统的精确度不够。17提高数学建模效率的方法低效率高效率建立模型编写算法分析结果建立模型调用算法分析结果瓶颈重点重点18专有的商业化工软件实质：数学模型和计算方法的有机集成过程模拟：ASPENPLUS、PRO/II、CHEMCAD、gPROMS等分子模拟：Gaussian、Cerius2、MaterialsStudio、HyperChem、CHEMOFFICE计算流体力学：CFX、FLUENT、StarCD等优势：技术成熟、系统稳定、资料丰富、技术交流方便。缺陷：价格高，解决对象为已有的成熟的工程问题，缺少新的研究课题的数学模型，因此，对于科学研究领域，通过建模、编程解决性的模型问题成为必要。19数值计算的工具程序设计语言BASIC/VisualBASIC(VB)PASCAl/DelphiC/C++(VisualC++、C++Builder)FORTRAN/CompacVisualFortran6.6(CVF)数学软件包Mathematica（数学演算）MathCADMaple（符号计算）MATABSAS、SPSS、STATISTCA（统计分析）执行效率高、有丰富的数值计算源程序或库文件，如NumericalRecipes、IMSL库以及网络资源NetLib。编程能力要求高。算法齐全，计算、图形可视化和符号运算功能强大，且简单易学、扩展性好，也支持与其他高级语言混合编程。既是专业数学软件，又是一种编程语言，编程效率高，且代码公开。内建丰富的函数和工具箱。得到第三方公司的开发支持20数值计算工具的选择1996年，UniversityofTexasatAustin的Kantor和Edgar两位教授提出传统计算机程序设计不是工业化学工程师的重要技能，由于软件维护的艰难性，许多公司告诉他们的工程师不要开发独立的软件。Dahm教授的调查表明美国84%的化工系讲授程序设计的语言由传统的FORTRAN、C/C++向更高水平的开发环境如MAPLE、MATLAB等转变。化学工程本科生所需要的数学应用软件调查结果：Swinnea教授从43份调查问卷中表明大部分的化工系讲授不止一门程序设计语言，其分布如下：C/C++FORTRANMATLABExcelVBMATHCADOther17101613764PLOYMATHMATLABMAPLEMATHCADEZ-SolverSpreadsheetsMathematicaOther37%65%24%37%5%82%13%15%21化工系学生需要掌握的计算机软件OfficeMATHCADMATLABMATHEMATICASimulinkPolymathEZ-SolverHYSYSASPEN+MinitabControlStationLabviewLadsimAutocad物料衡算和能量衡算：EZ-Solver，Polymath热力学：Mathcad，Polymath等分离：Aspen过程控制：Matlab、Excel化学反应工程：Polymath、Octave产品与过程设计：Aspen、Hysys、Chemcad、Pro/II统计：JMP、SAS、Minitab不算Excel、CAD，一个学生需会用3个以上软件。Colorado大学化工系本科阶段接触的软件UniversityofTexasatAustin化工系课程中所用计算机软件22MATLAB的特点支持多平台操作系统（Windows、Unix、Linux）编程语言简单易学（M语言）MATLAB编程效率高，可直接调用600多个内建MATLAB函数，函数源代码公开，支持与VC、VB和CVF的混合编程技术用途广泛，可用于数值计算、符号计算、数据分析、工程与科学绘图、图形用户界面设计、建模和仿真、控制系统设计、数字图像信号处理等。功能超强，有众多面向具体应用的工具箱（如偏微分方程、最优化、数理统计、样条函数、神经网络等）和Simulink仿真模块。算法稳定、可靠。具有开放式结构，扩展功能强，以及第三方公司的强力支持，如求解PDE的FEMLAB。23MATALB在化学化工中的应用数值计算AlkisConstantinides,navidMostoufi.NumericalMethodsforChemicalEngineeringwithMATLABApplications.PrenticeHall,1999MichaelB.Cutlip&MordechaiShacham.ProblemSolvinginChemicalEngineeringwithNumericalMethods，PrenticeHall,1999BruceA.Finlayson.IntroductiontoChemicalEngineeringComputing,JohnWiley&Sons,Inc.,2006KennethJ.Beers.NumericalMethodsforChemicalEngineering:ApplicationsinMATLAB,CambridgeUniversityPress,2007传递过程与单元操作JamesO.Wilkes.FluidMechanicsforChemicalEngineers.PrenticeHall,1999WilliamJ.Thomson.IntroductiontoTransportPhenomena.PrenticeHall,2000JaimeBenitez.PrinciplesandModernApplicationsofMassTransferOperations.JohnWiley&Sons,Inc.,2002化学反应工程FoglerHS.ElementsofChemicalReactionEngineering.3e,PrenticeHall,1999AmoLöwe.ChemischeReaktionstechnikmitMATLABundSimulink(German).Wiley-VCHVerlagGmbH,2001化工热力学HunKim,Moon-GapKim,Hak-YoungLee,Young-GuYeo&Sung-WooHam.ThermodynamicsinChemicalEngineeringUsingMATLAB(Korea).A-JinPublishingCo.,Ltd.,2002吸附平衡和吸附动力学DuongD.